Quantencomputing

Quantencomputer haben das Potenzial, komplexe Probleme schneller und effizienter als klassische Computer zu lösen. In den letzten Jahren gab und gibt es bedeutende Fortschritte im Hinblick auf die Entwicklung universeller fehlertoleranter Quantenrechner. Doch sind Qubits sehr anfällig für Störungen und ihre stabile Kopplung ist technisch anspruchsvoll. Die größten hardware-seitigen Herausforderungen liegen in der Fehlerminderung und -korrektur, der Skalierbarkeit, der Kühlung und Infrastruktur. Die aktuellen Forschungsfelder der Fraunhofer-Institute reichen von der Quantensimulation in Material- und Naturwissenschaften über Anforderungen an leistungsfähige und zuverlässige Hardware-Umgebungen hin zur Programmierung von Quantenalgorithmen für den industriellen Bedarf.

Wo kommt Quantencomputing zum Einsatz?

Von der Entwicklung neuer Materialien über optimierte Logistik und Verkehrsplanung bis hin zu einer schnelleren Medikamentenentwicklung auf Molekülebene oder neue Möglichkeiten im Finanzwesen: die Anwendungsbereiche für Quantencomputer sind vielfältig. In Verbindung mit Maschinellem Lernen und Künstlicher Intelligenz verspricht die Technologie große Fortschritte.

Einblicke in die Fraunhofer-Forschung

Hardware

 

Ein deutscher Quantencomputer

25 deutsche Forschungseinrichtungen und Unternehmen entwickeln im Projekt »QSolid« gemeinsam einen deutschen Quantencomputer basierend auf supraleitenden Quantenchips mit verringerten Fehlerraten.

 

Photonischer Quantencomputer

Gerade bei hoher Skalierung bietet ein photonischer Ansatz, der Lichtteilchen (Photonen) als Qubits verwendet, große Vorteile. Denn die für die Rechenoperationen benötigten Funktionen können auf einem einzigen Chip mittels ausgereifter Halbleiter-Fertigungsverfahren hergestellt werden. Ziel im Projekt »PhoQuant« ist es, einen Vorteil für die Berechnung von industrierelevanten Anwendungen zu erzielen.

 

Interview: Goldgräberstimmung in der Forschung

Im Interview beleuchten Prof. Anita Schöbel und Pascal Halffmann vom Fraunhofer ITWM den Stand die wichtigsten Erkenntnisse aus der Quantentechnologie-Forschung, sprechen über die Faszination Quantenphysik und realistische Erwartungen.

 

Projekt »SPINNING« – Quantencomputer auf Basis von Spin-Qubits in Diamant

Im Projekt »SPINNING« arbeiten 28 nationale Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft an einem kompakten, skalierbaren Quantenprozessor, der auf Spin-Qubits in Diamant basiert und sich durch weniger Kühlbedarf, längere Operationszeiten und kleinere Fehlerraten auszeichnet.

 

Entwicklung hybrider Quantencomputing-Anwendungen

Industriell relevante QC-Anwendungen sind fast immer hybrid – klassische Systeme werden mit Quantenschaltkreisen kombiniert. Im Projekt »EniQmA« will Fraunhofer mit Partnern dieses hybride Vorgehen gezielt systematisieren und industrielle Anwendungsfälle durch Software, Methoden und Werkzeuge unterstützen. 

 

Waferbasierte Herstellungsverfahren von supraleitenden Qubits

Supraleitende Qubits sind eine vielversprechende Technologie für die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer. Fraunhofer arbeitet an der Entwicklung von Herstellungsprozessen für supraleitende Qubits, die eine Skalierung auf über 100 oder sogar 1000 Qubits ermöglichen.

 

Steuerungstechnik für Quantenprozessoren

Während die Forschung an Qubits seit langem etabliert ist, ist die Ansteuerung für skalierbare Systeme mindestens ebenso wichtig. 36 Partner aus Industrie, Wissenschaft und führenden Forschungseinrichtungen entwickeln im Projekt ARCTIC skalierbare kryogene IKT-Mikrosysteme und Steuerungstechnik für Quantenprozessoren.

 

Skalierung im Blick

Noch sind sie Experimente im Labor – doch sollen Quantencomputer schon bald alltagstauglich werden. Elementar dafür ist eine Skalierung, also eine »Vergrößerung« der Rechner. Derzeit umfassen viele nur einige wenige Qubits. Mit der Entwicklung des Prototyps eines 400-Qubit-Quantencomputers auf Basis neutraler Atome eröffnet ein großes Forscherteam aus zahlreichen Institutionen nun eine mittelfristige Perspektive.

 

Quantencomputing für die Industrie

Im Projekt QuaST werden Software und Dienstleistungen entwickelt, die speziell auf industrielle Problemstellungen ausgerichtet sind. Im Fokus stehen komplexe Optimierungsprobleme wie Scheduling, Lieferkettenoptimierung und betriebswirtschaftliche Prognosen.

 

Quantengestützte KI für medizinische Diagnostik

Im Bayrischen Kompetenzzentrum Quanten Security und Data Science entwickeln Fraunhofer-Institute unter anderem quantengestützte KI für medizinische Fragestellungen. Quantencomputing verspricht hier ein deutlich dateneffizienteres Lernen als herkömmliche KI – vor allem in Situationen wie der medizinischen Bildklassifikation, wo wenige Trainingsdaten vorliegen. Die Forschenden haben prototypische Lösungen entwickelt und international vorgestellt.

 

Programmiersprache zur Entwicklung von Quantenalgorithmen

Mit steigender Nachfrage nach Quantencomputern wächst auch der Bedarf an leistungsfähigen, benutzerfreundlichen Werkzeugen für deren Programmierung. Mit »Qrisp« haben Fraunhofer-Forschende eine High-Level-Programmiersprache zur Erstellung und Kompilierung von Quantenalgorithmen geschaffen. Ihr strukturiertes Programmiermodell ermöglicht es Entwicklern, effiziente und skalierbare Quantenalgorithmen zu schreiben.

 

Algorithmen für Quantenannealing

Im Projekt »Rymax« entwickelt Fraunhofer mit Partnern einen Quantenannealer-Demonstrator auf Basis von Rydberg-Atomen: den Rymax One. Im Fokus steht das Entwickeln von Algorithmen für Quantencomputing mit HPC-Anbindung und Benchmarking.

 

Multi-Drone Pathfinding mit Industriepartner THALES

In Zukunft können Drohnen eilige Lieferungen, z.B. von Medikamenten durchführen. Bei einzelnen Drohnen können klassische Computer die optimale Bahn effizient berechnen. Doch viele Drohnen müssen Kollisionsvermeidung, Priorisierung und ggf. Flugverbotszonen berücksichtigen. Dafür sind derzeit für klassische Computer keine effizienten Algorithmen bekannt. Mit einer Kombination aus Quantenoptimierung und Reinforcement Learning wollen Fraunhofer-Forschende zusammen mit THALES die optimalen Pfade für alle Drohnen bestimmen.

 

Quantensicher: Post-Quanten-Kryptografie

Der Fortschritt in der Entwicklung von Quantencomputern bedroht die heutige IT-Sicherheit als Ganzes. Etablierte kryptografische Verfahren könnten von Quantencomputern gebrochen werden. Mit dem neutralen und herstellerunabhängigen Kompetenzzentrum Post-Quanten-Kryptografie unterstützt Fraunhofer Unternehmen und öffentliche Einrichtungen beim Umstieg auf Quanten-resistente kryptografische Verfahren.